水力噴砂解決預置式節流器疑難井的創新應用

孫宇斐，楊圣方，劉媛，曹永強

中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安 710018）

蘇里格南氣田是典型的低滲、低壓、低豐度氣藏，單井產量低，建井數量多，經濟有效開發難度大。為實現氣田的規模高效開發，該區塊采用了以低成本戰略為特色的“蘇里格模式”，其中井下節流工藝是這種開發模式的一項關鍵技術，即通過井下節流、地溫補償工藝減少了地面工藝中集中加熱、注醇等流程，為高效率低成本開發氣田奠定了良好基礎[1]。因此蘇里格南區塊目前已連井生產的714口氣井中有585 口都在投產前安裝了井下節流器，占82%。其中預置式節流器占72%，卡瓦式節流器占28%。通常在安裝后的1～2 年內，由于井筒內出現嚴重積液、節流油嘴損壞、結垢或沖蝕的問題，產量受到了明顯的影響，因此節流器需要被及時回收。但其中一些節流器的鎖緊塊卡在工作筒內多次提取失敗，會長期對產氣通道起堵塞作用，嚴重影響氣井中期排水采氣工藝的順利實施、后期井口壓縮機加壓等生產需求，進而嚴重影響氣井產氣量。因此對于這些鋼絲作業打撈預置式節流器失敗的氣井，氣田會繼續嘗試用多種常規修井工藝方法進行解決，如鋼絲繩重型打撈，連續油管打撈，連續油管鉆磨，帶壓作業機打撈，鋼絲工具在生產油管徑向打孔或直接更換生產油管等[2]，但是對88.9 mm（3.5″）無油管完井的氣井井深結構，無法直接更換生產管柱，且無法用鋼絲工具給生產油管徑向打孔。其余可選用的修井工藝均嘗試后發現成功率不高，作業周期長，生產組織周期長，問題井擱置時間久。這些疑難井長期處于低產或零產量的狀態，急需一種有效的解決方案使其恢復正常生產。

1 預置式節流器疑難井的作業史

1.1 井況概述

預置式井下節流器卡死在工作筒中無法被打撈情況并不少見，在常規修井工藝無法解決的情況下，這些氣井無法繼續正常生產而變成了節流器疑難井，其中4口典型疑難井作業史概述如下：

1）SNXXXX-02。2017 年，已經嘗試通過鋼絲作業來打撈節流器，GS打撈工具成功地抓住魚頸但未能將其提拉出工作筒。作業中打撈工具GS 多次從節流器打撈頸脫出，分析判斷井下節流器打撈頸已腐蝕、損壞。在2018 年的連續油管打撈施工中，由于打撈工具無法抓住其打撈頸而宣告失敗。

2）SNXXXX-07。2017 年，鋼絲作業撈住節流器后通過多次向上震擊，下入探桿多次下砸節流器，預置式節流器均未移動，分析為節流器鎖鍵無法回收。然而在2018年，連續油管打撈成功抓住了節流器，啟動震擊器解卡，向上向下震擊多次，最大過提16 t的拉力，最大下壓4 t，節流器均未移動。

3）SNXXXX-02i。2017 年，重型鋼絲繩打撈嘗試多次以失敗告終，下入撈砂筒后證實DHC 被砂埋。無法排除其打撈頸已被沖蝕。2018 年，鋼絲下鉛印顯示打撈頸已受損。為了矯正其形狀，進行了連續油管磨銑作業。隨后進行了用連續油管打撈工具進行嘗試，但未能成功入魚。

4）SNXXX8-02。88.9 mm（3.5″）生產套管內徑為74.2 mm，自2015 年，多次鋼絲作業發現，在深度2 770 m、3 272 m 和3 580 m 的位置套管存在三處井筒縮徑（＜69 mm），可能是套管變形，打撈工具（外徑69 mm）無法通過，導致常規打撈作業無法進行。

1.2 常規修井工藝打撈過程中遇到的瓶頸

1）連續油管打撈對于某些井內的節流器可以正常抓住其打撈徑，但是仍然無法將被卡的節流器拔出坐落短節，施工過程中作用在預置式節流器上的最大上提張力為16 t。

2）連續油管鉆磨效率低下的一個主要原因是節流器本體和鉆頭之間可能發生的相對運動。

3）連續油管打撈工具串中的加速器+液壓震擊器的組合也被引入作為一種解決方案，但在實際應用中，導致在另一口井的作業過程中將GS打撈工具的卡瓦牙拉斷，使井況二次變復雜的風險過高，經評估后認為不適合用來解決實際井況。

2 解決方案及可行性研究

對于這些疑難井，卡死在工作筒內的節流器嚴重堵塞了生產套管與產層間的通道，常規的修井工藝均無法在風險可控的情況下解除這種阻礙，如何通過擴徑的辦法最大程度地消除節流效應就成為了合理的解決思路。借鑒水力噴砂射孔壓裂在氣田上的廣泛應用，水力切割也曾被應用于解決鉆井過程中鉆具卡鉆無法上提的問題，蘇南項目創新性的引入水力噴砂的穿透射孔能力應用在已卡死的預置式節流器，將其擴徑增加流通面積，優化與產層間的聯通，迅速恢復氣井產能，尚屬本區塊首例。文獻查詢后因缺乏可參考的工程應用經驗，所以在施工前首先對其可行性進行詳細的研究，分為以下幾個環節：①工藝原理分析；②該工藝在行業內的應用現狀及優缺點；③根據實際靶件建模進行數值模擬分析；④在應用前反復進行基地試驗論證其可行性并評估其對套管內壁潛在的傷害性。

2.1 水力噴砂射孔壓裂技術原理

水力噴砂射孔壓裂是基于伯努利方程的原理，將含砂水流的壓力能轉換成動能，獲得高速的射流，射穿地層，在巖層形成一個孔眼，根據試驗及理論分析 ,水力噴砂射孔過程的噴射時間、噴射深度及壓力之間存在如下關系[3]:

式中：Δp為噴嘴孔眼壓差，Pa；Q為噴射排量， m3/min；ρ為噴射液密度，kg/m3；n為噴嘴孔個數；d為噴嘴直徑，mm；Cd為孔眼流量系數；V0為噴射速度，m/s；Lmax為最大噴射深度，mm；Vth為臨界噴射速度，m/s；ΔVp為通過噴射孔由于回流導致的速度損失，m/s；H為材料的洛氏硬度；t為噴射時間，s。

對于上述方程可以采取數值方法求解。

2.2 水力噴砂工藝在行業內的應用情況

磨料噴射技術在現場的應用主要集中在磨料射孔、磨料切割和鉆孔除垢等方面。高壓水射流切割技術,在我國各行業都有所應用,但所需壓力往往很高,工藝較難實現。相比之下，水力噴砂技術是采用高壓水射流攜帶石英砂對工件進行切割的技術。一方面,與高壓水射流相比,所需壓力大大地降低，既容易實現其工藝降低工程費用,又具有較高的穿透能力;另一方面與磨料射流不同,其含砂濃度很低(一般5%～7%),對于氣井的施工容易實現后續處理。但國內外的文獻資料顯示該工藝從未被應用于解決井下預置式節流器無法被打撈的疑難井。

水力噴砂射孔地面物理實驗射孔參數：噴嘴Φ4.76 mm×4，射孔液35～40 mPa·s 壓裂基液，排量0.7 m3/min，40～70 目石英砂，濃度100 kg/m3，噴射時間15 min。

地面物理實驗結果（圖1）展示了水力噴砂射孔的穿透能力，射孔孔徑達20 mm，地層孔道直徑100～160 mm，深度大于800 mm。

圖1 177.8 mm（7"）套管的射孔孔眼及周圍孔道

2.3 數值模擬分析

基于流體力學常用的FLUENT 數值模擬分析軟件，根據預置式節流器內腔結構建模，并進行有限元網格化，選用k-e標準湍流模和離散相模型DPM 對整個固液兩相流場進行模擬仿真，采用SIMPLE算法進行收斂迭代計算[4-6]。

1）入口流體項速度設為31 m/s，離散相速度30 m/s，固體顆粒直徑設為0.5 mm,湍流強度為5%。

2）出口考慮到射穿節流器本體后就進入88.9 mm(3.5″)套管，回壓較小，井筒充滿液體，但考慮要模擬井壁傷害最大化的情況，回壓設置為0。

3）邊界除了噴槍入口和套管出口位置，其余邊界均為反射壁面。根據設置進行仿真模擬噴射。

從圖2 水射流流場速度分布云圖顯示，通過節流器本體中長61 mm,直徑20 mm的通道后，具有穿透金屬能力的速度場（v＞10 m/s）主要集中在軸向，徑向破壞力較小，雖然DPM離散相模型的模擬結果顯示石英砂濃度會沿著井壁分布，但是由于水射流速度低，理論上對套管井壁的損傷小。

圖2 噴砂射穿節流器時流場速度分布云圖

2.4 基地試驗論證其可行性

2.4.1 靶件的選用

基地試壓選用的靶件是廢舊的預置式節流器和鎖芯，和疑難井中實際投放的型號規格完全一致。

2.4.2 噴槍結構設計

根據預置式井下節流器鎖芯的內部結構設計噴槍結構,圖3為水力噴槍插入節流器內腔。

圖3 水力噴槍插入節流器內腔

2.4.3 4次基地噴砂模擬試驗的流程優化

前3次噴射試驗的效果驗證了噴砂方案射穿金屬節流器油嘴的能力，經過節流器開孔效果的對比，改用6.5 mm 的噴嘴代替5 mm 噴嘴，并且采用壓裂泵車和混砂車代替700型泵車及人工加砂攪拌的方式可有效提高砂比，極大提高噴射效率，噴射穿透節流器本體的時間從88 min降至7 min，圖4展示了節流器本體被水力噴射射穿，其通徑被擴大后的效果。第4 次基地試驗，將底部裝有防砂罩的節流器安裝于一段油管內進行井況模擬試驗，使用胍膠加石英砂，提高黏度和砂比并延長噴射時間至12 min 后，檢查防砂罩及節流器底部，均被完全射穿，檢查油管內壁，無明顯損傷，驗證了水力噴射工藝正常情況下對油管內壁的傷害性很低。

3 現場應用

3.1 施工方案及主要工具的選擇

3.1.1 連續油管選擇

選用 50.8 mm（2″）連續油管（HS-110）CT20-21，主要參數為：0～1 600 m, 壁厚為 4.45 mm，內徑41.9 mm,最小屈服強度80%為39 335.20 kg；1 600～4 654 m,壁厚為4.83 mm，內徑41.14 mm,最小屈服強度80%為42 347.20 kg。

圖4 基地第3次試驗中節流器被射穿

3.1.2 井下工具的選擇

1）沖洗井工具串：50.8 mm（2″）外卡瓦接頭 +馬達頭總成+強磁+沖洗頭。

2）打撈工具串：67.31 mm（2″）外卡瓦接頭+雙瓣式單流閥+液壓丟手+循環閥+震擊器+ GS 打撈工具。

3）水力噴射工具串：50.8 mm（2″）roll-on 接頭+噴槍。

4）氣舉工具串：50.8 mm（2″）roll-on 接頭+馬達頭總成+大水眼噴頭。

噴嘴選擇噴槍為單孔噴嘴，經過計算噴嘴的直徑為6.5 mm，射孔排量0.48 m3/min 時，噴槍出口理論流速為241 m/s。

3.1.3 施工液體選擇

1）選擇胍膠液作為射孔液。清水中加入59 kg胍膠，配制胍膠液14 m3。

2）頂替液：清水中加入降阻劑90 L，配制0.3%滑溜水30 m3，用于頂替胍膠液，清洗井筒。根據現場實際情況調整用量。

3）清水：20 m3用于沖洗井，測井筒漏失量。

3.1.4 射孔砂選擇

選擇 40～70 目的石英砂，視密度是 1.55 g/cm3，在清水中的自由沉降速度為V1=0.33 m/s。在射孔排量 0.4 m3/min 時，環空流速 75%，V2=2.17 m/s。V2遠遠大于2V1，可有效阻止石英砂下沉。

3.2 井場布局注意事項

50.8 mm(2″)連續油管撬裝滾筒立于主車旁，高壓區需要警戒線，非必要操作人員禁止進入高壓區，液氮泵車和液氮槽車現場待命。

3.3 水力噴砂解決方案的應用情況

首先進行鋼絲通井及鋼絲打鉛印確認節流器打撈頸的形狀，然后下入連續油管沖洗頭清洗節流器鎖芯內腔，進而下入50.8 mm（2″）CT連接GS工具打撈節流器，嘗試4次均未抓住其打撈頸，最后采用水力噴砂工藝。在噴砂穿孔作業開始前，使用沖洗頭(最大外徑64 mm,L=580 mm)進行一次模擬入魚，標記出沖洗頭噴嘴在鎖芯內腔能夠下探的最大深度。泵注1 h 清水清洗井筒，特別是節流器鎖芯內腔，可以建立正常的循環，泄漏率低。隨后泵入一定配比的胍膠液，含砂比7% (40～70 目石英砂)，循環壓力為47～48.7 MPa，頂替液為0.3%的滑溜水。從施工壓力曲線可以看出，當噴槍進入鎖芯時，由于節流器鎖芯內腔很小，循環壓力從26 MPa激增到43 MPa。有效噴射過程持續了10 min，泵注速度為480 L/min。DHC 被穿透的時間約為7 min，泵壓從47 MPa 迅速降至37 MPa，總失水量為30 m3。氮氣氣舉后短期放噴求產結果為6×104m3/d。

在4 口井的施工成功率為100%，作業流程一致，施工具體參數非常相似，具體見表1中的統計數據，作業過程中，當噴槍進入節流器的瞬間，循環壓力激增，入魚指征明顯。當噴射穿孔完成的瞬間，循環壓力會發生驟降，返排出口立即失返。所有井氣舉后的短期放噴求產結果良好，分別達到了6×104m3/d、7.2×104m3/d、8×104m3/d、6.8×104m3/d。

3.4 水力噴砂穿孔后節流器疑難井的長期生產情況

4 口典型預置式節流器疑難井應用水力噴砂穿孔工藝后全部恢復正常生產,長期生產曲線表明，當噴砂完成安裝速度管柱后，經過一年多的生產，由于DHC 的流通面積變大，這4 口井的生產曲線均證明節流器水力噴射穿孔后，其生產曲線和前期比變平穩，證明擴徑后的DHC 本體已不會對速度管柱的排水采氣功能造成限制，每口井的產量及生產狀態也得到了極大的改善，截至2020 年10 月，4 口井已累計貢獻產能41.2×107m3, 創造直接經濟價值為4 940 萬元。考慮到SNXXXX-02 井在噴砂穿孔前的平均產量約為1×104m3/d，接近38 mm（1.5″）速度管柱的臨界速率(本區塊的經驗值約為1×104m3/d)，再加上被穿孔后的節流器內有效通徑為20 mm，小于速度管柱內徑31.75 mm，對速度管柱的排水采氣效果有一定的節流限制作用，尤其是當產層能量接近其臨界速率時，所以噴砂穿孔后安裝速度管柱生產初期，其生產狀況未得到明顯改善，但是當關井壓力恢復較長一段時間后，其產能得到了明顯的提高，約恢復到3×104m3/d，速度管柱排水采氣效率也相應得到顯著提升。

表1 在4口預置式節流器疑難井上的現場應用

4 經驗總結

1）水力噴砂穿孔工藝被引入作為節流器疑難井的全新解決方案，在4 口典型的氣井上取得了良好的現場應用效果。經過證實，該工藝可穿透節流器本體，通過擴徑創造更大的產氣通道使問題井立即恢復生產。

2）這項創新型應用的正常作業過程中對套管壁可能的損傷較小，已被數值模擬分析以及地面井況模擬實驗所驗證。但在施工中需要注意開始噴射前務必確認噴槍已完全插入節流器鎖芯的本體內。首先，沖洗頭清洗節流器內腔過程中工具上部顯示的劃痕印記可說明沖洗頭噴嘴已完全插入鎖芯。其次，當連續油管噴槍邊循環邊下探節流器位置時循環壓力的激增，懸重的降低，也可清楚地顯示噴槍已伸入節流器底端。

3）DHC 被射穿，循環壓力會急劇下降，返排出口大概率會在瞬間失返，如果無法建立循環而導致砂體沉降，那么井下工具串組合中有可能存在外徑偏大的工具造成連續油管上提過程卡鉆，所以，在無法建立循環的時候需要立即將CT起出井筒。

4）對于無法通過鋼絲繩索重型打撈和連續油管打撈恢復的預置式節流器問題，水力噴砂射孔解決方案比CT鉆磨工藝更有效，因為連續油管鉆磨非常耗時且無法保證成功。對于在節流器鎖芯上方沒有落魚的井，應用這種工藝可以快速恢復生產，并將產量損失降至最低。

5）對于套管存在縮頸，無法下入打撈工具但是可以允許噴槍通過的井況，噴砂穿孔可以作為一個很好的選項。

6）水力噴砂穿孔后節流器疑難井的長期生產情況表明，由于被穿孔后的節流器本體內一個通徑為20 mm 的通道，對直徑為31.75 mm 的38.1 mm（1.5″）速度管柱仍有一定的節流效應，尤其是當產層能量接近其臨界速率時。 但是當較長時間的壓力恢復后，產層能量隨之大于速度管柱的臨界速率，這個節流效應可完全忽略，氣井將完全恢復正常的生產，從近2年的長期生產曲線可以看出，這種新的解決方案可有效提高產量。

5 結論

1）通過在蘇南4口典型的節流器疑難井上的試點應用，證實了水力噴砂穿孔技術在解決部分預置式DHC難題方面，十分有效并且省時。

2）預置式節流器疑難井上，水力噴砂穿孔比連續油管鉆磨要高效得多，因為鉆磨過程中鉆頭與節流器本體間可能存在相對運動。

3）通過觀察SNXXXX-02 井的長期生產情況，可初步推斷出被噴射穿孔的節流器與速度管柱作為一個整體解決方案，其整體的臨界速率已高于1×104m3/d，所以當水力噴射作業的候選井的產能接近或低于1×104m3/d，選用這一個解決方案的效果可能會受影響，當然如果壓恢后產能預計高于這個臨界產量的井，完全可以采用此新工藝。

4）該解決方案預計可以解決蘇南72%的井下預置式節流器疑難井問題。